第3章 交互设备

真三维显示是三维显示的最终目标，是一种能够实 现360度视角观察的三维显示技术，是现实景物的 最真实的再现。
◦ 在真三维显示场景中，位置各异的用户无需借助其他器具 ，就可以围绕显示区域看到与自身位置相对应的信息，在 宽广的视场和视距范围内随心所欲地边走边看，符合人类 对真实场景的观看方式。 ◦ 缺点：只能产生半透明的3D透视图，而无法显示不透明的 三维物体。 ◦ 显示技术
这类设备的优点是扫描速度快，易于操作，且由于不需接触 被测量的物体，所以对物体表面损伤少等。

机械式、电磁式、光学式捕捉设备

机械式动作捕捉设备
◦ 利用可伸缩的机械结构安装于捕捉物体上，以取得各部分 的运动量。 ◦ 优点是成本低廉，但这种方式限制了运动物体的自由运动 ，且由于机械设备的尺寸、重量等问题，因而限制了其应 用范围。

打印机
◦ 打印机是目前非常通用的一种输出设备，其结构可分为机 械装置和控制电路两部分。 ◦ 常见的有针式、喷墨、激光打印机三类。 ◦ 打印分辨率、速度、幅面、最大打印能力等是衡量打印机 性能的重要指标。

语音交互设备
◦ 语音作为一种重要的交互手段，日益受到人们的重视。 ◦ 基本的语音交互设备
耳机 麦克风 声卡
◦ 对虚拟现实交互设备进行分类归纳总结，并进行优缺点 比较。 ◦ 设计一个手写板绘图程序，获取用户在手写板上的输入 位置和压力信息，获取基本笔划。 ◦ 利用WIA，设计一个图像采集与管理程序，支持从摄像 头、扫描仪和数码相机获取图像。 ◦ 设计网络聊天模拟器，支持键盘、鼠标、耳麦和摄像头 等设备，模拟信息输入、发送功能，以及语音、视频聊 天功能等。 ◦ 给出一个实际应用中交互设备整合应用的实例。
◦ 三维鼠标能够感受用户在六个自由度的运动，包括三个平 移参数和三个旋转参数。 ◦ 其装置比较简单：一个盖帽放在带有一系列开关的底座上 。 ◦ 转动这个小球或侧方向推动这个小球时，如向上拉它、向 下压它，使它向前或向后等。 ◦ 三维鼠标将用户的这些动作传送给计算机，从而进一步控 制虚拟环境中的物体的运动。

虚拟现实系统要求计算机可以实时显示一个三维场 景，用户可以在其中自由的漫游，并能操纵虚拟世 界中一些虚拟物体。因此，除了一些传统的控制和 显示设备，虚拟现实系统还需要一些特殊的设备和 交互手段，来满足虚拟系统中的显示、漫游以及物 体操纵等任务。
◦ 三维空间定位设备 ◦ 三维显示设备
◦ 空间跟踪定位器或称三维空间传感器是一种能实时地检测 物体空间运动的装置，可以得到物体在六个自由度上相对 于某个固定物体的位移，包括：X、Y、Z坐标上的位置值 ，以及围绕X、Y、Z轴的旋转值（转动，俯仰、摇摆）。 ◦ 这种三维空间传感器对被检测的物体必须是无干扰的，也 就是说，不论这种传感器是基于何种原理或使用何种技术 ，它都不应当影响被测物体的运动，因而称为“非接触式 传感器”。 ◦ 三维空间跟踪定位器一般与其他VR设备结合使用，如：数 据头盔、立体眼镜、数据手套等。

电磁式设备
◦ 将若干低频磁场感应器安装在捕捉物体上，根据感应器接 收到的磁场，可以计算出接收器相对于发射器的位置和方 向。但其由于易受电磁干扰影响到了捕捉数据的精度和稳 定性，对于作业场地的要求也非常严格。

光学式运动捕捉
◦ 利用计算机视觉原理。从理论上说，对于空间中的一个点 ，只要它能同时为两部摄相机所见，则根据同一时刻两部 摄相机所拍摄的图像和对应参数，就可以确定这一时刻该 点在空间的位置。摄相机以足够高的速率连续拍摄时，从 图像序列中就可以得到该点的运动轨迹。光学式运动捕捉 便是利用这一点通过对目标上特定光点的监视和跟踪来完 成运动捕捉的任务。
◦ 头盔式显示器（Head Mounted Display，HMD，）是一 种立体图形显示设备，可单独与主机相连以接受来自主机 的三维虚拟现实场景信息。 ◦ 目前最常用的头盔显示器是基于液晶显示原理的，最早如 美国VPL公司于1992年推出的Eyephone，它在头上装有 一个分辨率为360×240象素的液晶显示器，其视野为水 平100度。
Virtual Technology公 司的触觉反馈手套
Phantom 公司的haptic device

立体视觉 头盔式显示器 CAVE 真三维显示
◦ 由于人类从客观世界获得的信息60%以上来自视觉，因而 视觉沟通就成为多感知虚拟现实系统中最重要的环节，立 体视觉技术也就成为虚拟现实的一种极重要的支撑技术。 ◦ 人是通过右眼和左眼所看到物体的细微差异来感知物体的 深度，从而识别出立体图像的。
◦ 虚拟现实系统必须提供触觉反馈，以便使用户感觉到仿佛 真的摸到了物体。但是由于人的触觉非常敏感，精度一般 的装置根本无法满足要求。 ◦ 另外，对于触觉和力反馈器，还要考虑到模拟力的真实性 、施加到人手上是否安全以及装置是否便于携带并让用户 感到舒适等问题。目前已经有一些关于力学反馈手套、力 学反馈操纵杆、力学反馈笔、力学反馈表面等装置的研究 。
系
统
立体眼镜/头盔 音箱
立体图像 三维音效
数字博物馆的系统架构

两个跟踪器分别固定在用的转动，控制用户在场景 中漫游的方向； ◦ 附着在手套上的跟踪器跟踪手相对于身体的相对位置。如 果手与虚拟空间中的物体发生碰撞，则利用数据手套检测 用户的手势命令，判断用户是否要抓取物体。语音命令可 以辅助用户在虚拟场景中进行漫游。
◦ 接触式的三维扫描仪采用探测头直接接触物体表面，通过 探测头反馈回来的光电信号转换为物体表面形状的数字信 息。该类设备主要以三维坐标测量机为代表。
其优点是具有较高的准确性和可靠性，但也存在测量速度慢 、费用较高、探头易磨损以及误差修正等缺点。
◦ 非接触式的三维扫描仪，主要有三维激光扫描仪，照相式 三维扫描仪等，分别是基于激光扫描测量和结构光扫描测 量等技术设计的。
◦ 这是一种四面或六面的沉浸式虚拟现实环境。对于处在系 统内的用户来说，投影屏幕将分别覆盖用户的正面、左右 以及底面视野，构成一个边长为10英尺的立方体。 ◦ 可以允许多人走进CAVE中，用户戴上立体眼镜便能从空 间中任何方向看到立体的图像。CAVE 实现了大视角、全 景、立体、且支持5～10 人共享的一个虚拟环境。
扫描体显示 固态体显示

山东大学考古数字博物馆
◦ 综合利用前面介绍的各种虚拟设备，可以在此基础上完成 一些较为复杂的应用。山东大学构建了一套基于桌面的虚 拟现实平台，并用于山东大学考古数字博物馆
数据手套 用 跟踪器 麦克风 户 鼠标/键盘
手势 位置 语音命令 传统命令
通 道 理解 整合
漫 游

构成：由阴极、电平控制器（即控制极）、聚焦系 统、加速系统、偏转系统和阳极荧光粉涂层组成， 这六部分都在真空管内。其中，阴极、电平控制器 （即控制极）、聚焦系统、加速系统等统称为电子 枪。


当显像管内部的电子枪阴极发出的电子束，经强度 控制、聚焦和加速后变成细小的电子流，再经过偏 转线圈的作用向正确目标偏离，穿越荫罩的小孔或 栅栏，轰击到荧光屏上的荧光粉发出光线。 彩色CRT光栅扫描显示器有三个电子枪，它的荧光 屏上涂有三种荧光物质，分别能发红、绿、蓝三种 颜色的光。
◦ 等离子显示器诞生于二十世纪60年代，它采用等离子管作 为发光材料，1个等离子管负责一个像素的显示：等离子 管内的氖氙混合气体在高压电极的刺激下产生紫外线，紫 外线照射涂有三色荧光粉的玻璃板，荧光粉受激发出可见 光。
优点：重量较轻、完全无X射线辐射，而且屏幕亮度非常均匀 ，不存在明显的亮区和暗区；由于各个发光单元的结构完全 相同，因此不会出现CRT显示器那样存在某些区域聚焦不良 或因使用时间过长出现散焦的毛病。 缺点：是价格较高，由于显示屏上的玻璃较薄使屏幕较脆弱 。

三维信息输入设备
◦ 在许多领域，如机器视觉、面形检测、实物仿形、自动加 工、产品质量控制、生物医学等，物体的三维信息必不可 少的。
三维扫描仪是实现三维信息数字化的一种极为有效的工具。 动作捕捉设备则用于捕捉用户的肢体甚至是表情动作，生成 运动模型。在影视、动漫制作中已被大量应用。

根据传感方式的不同，三维扫描仪主要分为接触式 和非接触式两种。
物体
投影平面 眼睛 左眼视图 右眼视图
◦ 立体影像生成技术主要有两种
主动式模式
对应用户的左右眼影像将按照顺序交替显示，用户使用LCD立体 眼镜保持与立体影像的同步，这种模式可以产生高质量的立体效 果。
被动式系统
需要使用两套显示设备以及投影设备分别生成左右眼影像并进行 投影，不同的投影分别使用不同角度的偏振光来区别左右眼影像 ，用户使用偏振光眼镜保持立体影像的同步。
◦ 在充电条件下，液晶能改变分子排列，继而造成光线的扭 曲或折射。 ◦ 液晶显示器工作原理是通过能阻塞或传递光的液晶材料， 传递来自周围的或内部光源的偏振光。以电流刺激液晶分 子产生点、线、面配合背部灯管构成画面。 ◦ LCD比CRT显示器具有更好的图像清晰度，画面稳定性和 更低的功率消耗，但液晶材质粘滞性比较大，图像更新需 要较长响应时间，因此不适合显示动态图象。

指点输入设备
◦ 指点设备常用于完成一些定位和选择物体的交互任务。 物体可能处于一维、二维、三维或更高维的空间中，而 选择与定位的方式可以是直接选择，或通过操作屏幕上 的光标来完成。
鼠标 光笔 控制杆 触摸板 触摸屏

显示器
◦ 显示器是计算机的重要输出设备，是人机对话的重要工具 。它的主要功能是接收主机发出的信息，经过一系列的变 换，最后以光的形式将文字和图形显示出来。 ◦ 阴极射线管显示器、液晶显示器和等离子显示器
◦ 数据手套一般由很轻的弹性材料构成，紧贴在手上。整个 系统包括位置、方向传感器和沿每个手指背部安装的一组 有保护套的光纤导线，它们检测手指和手的运动。数据手 套将人手的各种姿势、动作通过手套上所带的光导纤维传 感器，输入计算机中进行分析。这种手势可以是一些符号 表示或命令，也可以是动作。手势所表示的含义可由用户 加以定义。 ◦ 在虚拟环境中，操作者通过数据手套可以用手去抓或推动 虚拟物体，以及做出各种手势命令。